盾構隧道同步注漿新型雙液注漿材料的研究與應用

王 成， 王國義

(中電建成都建設投資有限公司, 四川 成都 610212)

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盾構隧道同步注漿新型雙液注漿材料的研究與應用

王 成， 王國義*

(中電建成都建設投資有限公司, 四川 成都 610212)

盾構隧道的上浮易導致隧道管片錯臺、破損、滲漏和隧道超限等問題，進而影響到地鐵隧道的驗收與運營。通過分析管片上浮的主要原因，提出改進同步注漿設備，并在盾尾處采用常規同步漿液與聚丙烯酰胺水溶液(雙液漿)相混合注入管片與開挖面之間的空隙。通過實驗分析得出，注入空隙處的雙液漿短時間內增稠，漿液成為塑性體，使管片的浮力降低許多，抗水分散性明顯提高。通過實際應用，此種新型雙液漿有效地填充了管片與開挖面之間的間隙，使隧道上浮量明顯降低，提高了成型隧道的質量，解決了盾構隧道上浮的難題。

盾構； 隧道； 管片上??； 同步注漿； 雙液漿； 塑性體； 抗水分散性

0 引言

近年來，盾構法憑借其安全、可靠、快速、經濟、環保等優勢，被廣泛地應用于各大城市地鐵建設中。然而，在盾構隧道施工中，剛脫離盾尾的管片經常會出現錯臺、破損，甚至出現隧道局部或整體上浮[1]，最終導致管片質量差和隧道超限，從而影響地鐵的正常運營。

作為盾構施工常見的工程問題，盾構隧道施工中的管片上浮問題已經引起了廣泛關注，且部分學者對此進行了一些研究。如： 季昌等[2]通過管片施工期上浮影響因素的現場試驗研究，提出在非膠凝材料摻量不變的基礎上，隨著粉灰比、水灰比的減小,漿液抗壓強度、黏聚力提高，初凝時間縮短，管片上浮量減?。恍っ髑宓萚3]通過計算分析，提出在軟土地層中采用早期強度低、流動性大的注漿材料有利于減少施工期管片上浮；王新等[4]分析影響隧道上浮的物理環境和工藝操作，得出可能產生隧道上浮力的主要因素；杜闖東等[5]研究分析了施工中出現管片上浮問題的根源；曹文宏等[6]研究了隧道襯砌上浮的必然性和力學機制。已有研究主要分析隧道上浮影響機制、上浮影響因素、上浮的量化計算模型和工程中可采用的處理措施，但對于盾構同步注漿系統及膠凝材料的研究均存在不足。

本文對盾構同步注漿系統加以改進，盾尾同步注入雙液漿，注入后的雙液漿短時間內形成塑性體[7]，雙液漿對管片的浮力低，抗水分散性明顯加強。通過實際應用，隧道管片基本無上浮現象，盾尾空隙注漿填充飽滿，注漿量明顯降低，基本解決了長期困擾盾構施工的隧道上浮難題。

1 盾構隧道管片上浮的主要原因與目前控制措施

1.1 盾構隧道管片上浮的主要原因

隧道在同步注漿漿液中上浮時的受力情況可分為： 管片自身的重力G1、管片內部的載荷G2、漿液對隧道的浮力F浮、抵抗隧道上浮的黏結力F黏和側向摩擦阻力F阻，附近已經固結的管片抵抗隧道上浮的管片間的摩擦力F摩和管片螺栓的剪力F剪，其他如注漿壓力[8]不均等導致管片垂直向上的力F其他。當(G1+G2)﹤F浮時，隧道管片會有上浮的趨勢；當(G1+G2)﹤(F浮-F黏-F阻-F摩-F剪+F其他)時，隧道管片將上浮。因此，在不考慮F其他的前提下，控制管片上浮最直接的措施是降低同步漿液對管片的浮力F浮，同時提高抵抗隧道上浮的黏結力F黏和側向摩擦阻力F阻。

盾構施工過程中同步漿液在隧道外(攪拌站)拌合，攪拌完成后放至盾構工作井中轉站，然后由運輸漿車運至盾構臺車，經導漿泵泵送至盾構臺車同步漿箱。隨著盾構的掘進，使用KSP注漿泵經長達20 m的注漿軟管和盾尾內的注漿管將漿液注入至管片與開挖面之間的空隙，同步漿液從攪拌至最后注入至少需要 4～6 h。為了防止同步漿液凝固與注漿管堵塞，要求同步漿液具有優良的流塑性[9]，初凝時間一般在6 h以上，終凝時間達30多 h。注入管片背面的同步漿液由于與地層中的滲水相混合，使同步漿液變稀，凝固時間變長。由于管片背面同步漿液完全凝固時間很長，盾尾后同步漿液對管片的浮力累積，當浮力累積值大于管片的約束力時，管片會產生錯臺、破損與上浮。因此，盾構隧道管片上浮的主要原因之一是同步漿液不及時凝固而產生浮力所致。

1.2 目前管片上浮控制措施及存在問題

常規可凝性同步漿液[10]由水泥、粉煤灰、砂、膨潤土和水組成。為控制管片上浮，現有常規控制管片上浮的措施有： 1)提高水泥和膨潤土用量，降低同步漿液凝結時間，提高同步漿液黏稠度，但隨之出現的是同步漿液凝結、注漿管堵塞等問題。實際施工中操作者人為地提高同步漿液中水的含量，提高漿液的流動性[11]，防止注漿管堵塞，但造成的后果是同步漿液完全凝固所需的時間很長。2)在盾尾后側已經拼裝管片處將管片吊裝孔打開，使用雙液注漿泵注入水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿迅速凝結，以抵抗同步漿液的上浮力；但注入水泥-水玻璃雙液漿材料和人工成本都比較高，注入量和范圍小，凝結強度低，上浮量雖有所降低但仍然存在多種問題，雖被施工單位廣泛采用，但未達到最優效果。3)降低盾構施工進度，延長脫出盾尾管片的漿液凝結時間，但此種做法會導致盾構施工進度慢。

對于常規的水泥-水玻璃雙液漿，由于凝結時間短、容易使注漿管堵塞、影響最后一排盾尾刷壽命、成本高、可操作性差等多種原因，一直未被作為同步漿液廣泛采用。

綜上所述，目前無較好的方法能夠解決同步漿液浮力造成管片錯臺、破損、滲漏與隧道上浮問題。解決同步漿液對管片的上浮問題，需要同步漿液在注入過程中流塑性非常好，注入后稠度值小、抗水分散性好。

3)從浮標站風速的月變化看,全年共出現兩個峰值,一個是冬春轉換季節3月份前后；另一個為臺汛期,這兩個時間段出現較大陣風的頻率也是全年中最高的。

2 新型雙液漿的選定

通過大量的試驗并查找相關資料，尋求在常規同步漿液中加入一種液體(如有機膨潤土、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、植物膠、黃原膠、減水劑等的水溶液)，能夠達到同步漿液注入后所需求的稠度值小、抗水分散性好的性能，并最終選定了聚丙烯酰胺[12]。

聚丙烯酰胺是一種高分子聚合物，是水溶性高分子化合物[13]中廣泛應用的品種之一，主要應用于水處理、造紙、石油、煤炭、礦冶、地質、輕紡、建筑等工業部門，具有增稠性、黏合性、絮凝性、降阻性等特性。

3 常規同步漿液與新型雙液漿的對比試驗

為了對比常規同步漿液與加入聚丙烯酰胺水溶液的雙液漿[14]的性能，按照常規同步漿液的配合比(如表1所示)配制成漿液[15]，一部分備用，一部分加入聚丙烯酰胺水溶液(如表1所示)，并充分攪拌，形成雙液漿。通過試驗，對2種漿液(如圖1所示)的性能進行對比，如表2所示。

從表2可以看出： 新型雙液漿與常規同步漿液相比，密度、析水率、初凝時間、終凝時間、28 d抗壓強度、成本相差不大；由于新型雙液漿添加了增稠劑(聚丙烯酰胺)，雙液漿經充分混合后已經從流體轉化為塑性體，無外力作用失去流動性，漿液屈服強度顯著提高[16]；新型雙液漿的稠度值[17]遠小于常規同步漿液，抗水分散性能[18]遠優于常規同步漿液。

表1 常規同步漿液與新型雙液漿的配合比

(a) 新型雙液漿

(b) 常規同步漿液

2種漿液對管片作用的浮力試驗。將2種漿液分別裝入紙杯內，并將一個塑料杯壓入漿液中一定體積(65 mL)，然后往塑料杯內加水至塑料杯不再上浮為止(如圖2所示)，此時將裝水的塑料杯取出，清理殘留在塑料杯外側的漿液。對杯和水進行稱重，其質量為同步漿液對壓入一定體積的廣義浮力，廣義浮力除以廣義體積就是廣義浮力密度。塑料杯壓入雙液漿中不加水，塑料杯也不上浮。具體試驗和計算結果如表3所示。

表2 常規同步漿液與新型雙液漿性能與成本統計

圖2 浮力試驗

表3 常規同步漿液與新型雙液漿的試驗統計

Table 3 Buoyant force test results of new type two-component grout and conventional grout

名稱廣義浮力/g廣義浮力密度/(g/mL)常規同步漿液881.35新型雙液漿140.22

從浮力試驗可以看出： 常規同步漿液流動性好，對管片的廣義浮力大，廣義浮力密度大于管片的廣義密度(0.5 g/mL)，管片將上?。恍滦碗p液漿已經成為塑性體，無流動性，廣義浮力密度小于管片的廣義密度，管片不上浮。因此，新型雙液漿對管片的浮力遠小于常規同步漿液對管片的浮力。

4 同步注漿設備的設計

為了確保新型雙液漿的順利注入，對雙液漿注入系統進行如圖3所示的設計。雙液漿中A液(常規同步漿液)依然采用常規KSP泵D1[19]注入，漿液進入盾尾注漿管前增加一個三通，雙液漿B液在此與A液相混合，在混合過程中經盾尾注漿管注入管片與開挖面間的空隙。在連接橋處安裝帶有攪拌系統的1 m3B液攪拌罐，聚丙烯酰胺與水在罐中攪拌，經截止閥D2、螺桿泵D3、管路、單向閥D4注入盾尾注漿管路。當盾尾注漿管路堵塞、螺桿泵出口注漿壓力升高至螺桿泵允許最高壓力時，安全閥D5打開，B液流回攪拌罐。雙液漿中的A液、B液注漿速度都可以進行無級調節，以滿足注雙液漿所需的不同配合比。

圖3 雙液漿注入系統示意圖

5 應用實例

成都地鐵某盾構區間2條隧道分別采用常規同步漿液和新型雙液漿進行同步注漿，掘進進度都按12環/d(18 m)控制。當盾構掘進完成后，停止注入新型雙液漿中的B液，繼續注入一定體積的A液，將盾尾注漿管中漿液由雙液漿替換成單液漿，防止停機再次注漿時盾尾注漿管堵塞。

通過對隧道左右線進行監測，注入常規同步漿液時，管片脫離盾尾后開始上浮，并伴隨錯臺發生，脫離盾尾18 m上浮量達到最大(60 mm)，脫離盾尾30 m上浮量有所降低(50 mm)，并一直保持此上浮量[20]不變。注入新型雙液漿，管片脫離盾尾后無上浮量，基本無錯臺，注漿量減少20%左右。

6 結論與建議

2)常規同步漿液本身流動性好、抗水分散性能差，同時受地層水影響，導致盾構施工期間漿液凝固時間較長，管片浮力大，致使隧道管片上浮嚴重。

3)新型雙液漿由于混合后短時間內變為塑性體，抗水分散性能好，廣義浮力小，隧道管片基本不上浮。

4)常規同步漿液與新型雙液漿的最大區別之處在于隨著盾構的掘進，同步注入開挖面與管片之間空隙的漿液形態由流體變為塑性體，極大地降低了漿液對管片的浮力。同步注新型雙液漿適用于所有盾構施工。

5)根據盾構實際掘進情況，為了達到實時調整新型雙液漿A液與B液混合比例的目的，需要對同步注漿設備進行程序設計，此程序設計有待進一步研究與應用。

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Study and Application of New Type Two-component Grout to Simultaneous Grouting of Shield Tunnel

WANG Cheng, WANG Guoyi*
(ChengduConstructionInvestmentCo.,Ltd.,ChinaPowerConstructionCorporation,Chengdu610212,Sichuan,China)

The tunnel segment dislocation, damage and water leakage would be induced by uplift of tunnel segment. The causes of tunnel segment uplift are analyzed; the simultaneous grouting equipment is improved and two-component grout is injected to gaps between working face and tunnel segment. The testing results show that the simultaneous grouting is efficient and can reduce the uplift of tunnel segment.

shield; tunnel; segment uplift; simultaneous grouting; two-component grout; plastic material; water-resistant dispersity

2016-09-01;

2016-11-06

王成(1975—),男，四川仁壽人，1999年畢業于中國礦業大學，采礦工程專業，本科，高級工程師，現從事地鐵施工技術與管理工作。E-mail： 635809798@qq.com。*通訊作者： 王國義， E-mail： 1163812615@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.005

U 454

A

1672-741X(2017)04-0416-05